山区高速公路在线监测系统的感应取电研究

丁鑫　李晓霞　党巾涛

摘要：针对目前山区高速公路在线监测系统存在供电难且电池更换不易的问题，对太阳能板供电、激光供电、感应取电三种供电方式进行分析、比较。讨论了高压线产生的交变磁场远近对感应取电的影响，研究了匝数、负载与启动电流之间的关系，对感应取电装置进行优化选择，并给出了电压和功率的计算方式。分析结果表明，以硅钢片为磁芯材料，线圈匝数在100匝左右时，能更加合理有效地利用输电线路的电磁能，为在线监控设备持续供电。

关键词：感应取电；在线监测；电磁能；电磁感应

中图分类号：U417.9文献标志码：B

Abstract： In view of the problem that the online monitoring system for expressway in mountain area is difficult in power supply and the battery is not easy to be replaced， the solar panel power supply， laser power supply and induction power supply were compared. The influence of alternating magnetic field produced by high voltage line on the induction power supply was discussed. The relationship between the number of turns， the load and the starting current was studied. The selection of the device was optimized， and the calculation method of voltage and power was given. The results show that with the silicon steel sheet as the core material， when the number of turns is around 100， the electromagnetic energy of the transmission line can be used more rationally and effectively， and the power supply for online monitoring equipment can be maintained.

Key words： induction power supply； online monitoring； electromagnetic energy； electromagnetic induction

0引言

中国的山区占陆地面积的三分之二，主要包括丘陵、山地以及崎岖的高原，地理条件复杂，交通不便，事故发生概率高，易造成道路大面积破坏，威胁驾乘人员生命、财产安全。因此，对山区高速公路的实时监测尤为重要。山区高速公路一般距离市区较远，故人为监测频率低且成本相对较高，若可采用在线监测系统对山区高速公路、构造物等进行监测，可以保证监测的实时性。然而，受地理条件、成本以及用电安全等诸多要求限制，电源供给成为制约在线监测系统发展的关键因素。

目前，在线监测系统常用的供电方式有：太阳能板、激光供电及感应取电等。太阳能板供电安装过程复杂，易受外界环境尤其是光照强度的影响，在多雨多雾地区不适用此技术[12]；激光供电设备复杂且成本较高，能量转换效率较低；高压输电线路感应取电技术克服了气候及地理条件的影响，不仅环保、稳定性高、可持续供电，而且其取电装置体积小、安装简单、成本低、供电可靠，可长期稳定地为监控设备供电[34]。

1感应取电的原理

高压输电线路的感应取电技术基于电磁感应定律，利用高压线路产生的交变磁场提取电能，有效地对高压线产生的磁场进行利用[59]。感应取电装置主要由铁芯、感应线圈、整流模块及蓄电池组成，其等效模型如图1所示。其中，高压输电线路为初级绕组，匝数为N1；感应线圈为次级绕组，匝数为N2。

铁芯和感应线圈是感应取电装置的“发电机”，利用输电线路周围的交变电磁场进行感应发电；整流模块对得到的感应交变电流进行整流并输出直流电；得到的直流电在控制模块的监控下对蓄电池进行充電，并为传感器节点提供电能。

高压输电线路上通有幅值恒定的交流电，则线路周围将产生交变磁场，并在铁芯上产生交变的磁通，产生感应电动势[1013]。假设初级绕组和次级绕组为全耦合电磁感应，不计初级绕组和次级绕组的漏感，根据电磁学基本理论可以得到如下方程式。

2.2匝数分析

电流互感器的基本原理是利用磁势的守恒原理获取能量，公式如下所示。

N1I1=N2I2（8）

因此，对于电流互感器的设计，其变比的大小直接影响到输出功率的大小。但不是变比越小越好，变比太小，二次侧的电流过大，对电路保护的要求就更高；同样，变化比过大，带负载能力就会下降。以1 000 A电流为例进行讨论，具体关系如图2所示。

图2匝数与启动电流的关系

结合图2和感应取电装置的性能指标可以看出，线圈在100匝左右时，满足最低的启动电流。

当匝数满足最低启动电流时，负载与启动电流的关系如图3所示。从图3可以看出，相同负载下，线圈匝数越多，启动电流越大；线圈匝数相同时，负载越低，启动电流越大。考虑到感应装置的启动电流至少为10 A，所以线圈匝数应至少设置为100匝。

2.3感应取电装置与高压线的距离分析

高压输电线通过交变电流在周围空间产生交变磁场。电流大小不同，所产生的感应磁场不同[1415]。根据毕奥萨伐尔定律可知，长为L的导线在某点的磁感应强度为

B=μ04π∫LIdl×r[KG*3]0r2（9）

式中：Idl为一个电流元；r为该点距导线的垂直距离；r[KG*3]0为电流元到该点的距离。

高压输电线的距离一般很长。因此，L可以看作趋于无限大，则得到磁感应强度与电流强度、导线间距离的关系为

B=μ0I2πa（10）

式中：I为导线的电流强度（A）；a为该点与导线之间的距离（m）。

不同电流强度下，距高压线不同距离处的磁感应强度如图4所示。由图4可以看出：当电流一定时，与高压线的距离越远，磁感应强度越弱；当距离一定时，通过高压线路的电流强度越大，磁感应强度越大。磁感应强度变化范围为0～12×10-2T，距离在0～01 m内磁感应强度下降最为剧烈；距离在01～03 m内变化较为平缓；距离大于0.3 m时磁感应强度很小，接近定值；距离为01 m和03 m时的磁感应强度相差一个数量级。高压电路传输频率一定时，磁感应强度越大，磁感应强度变化率就越大，感应电动势也就越高。为了将感应取电装置对高压线的影响降至最低，其体积不宜过大，将铁芯横截面面积S控制在10-4 m2或10-3 m2级别，匝数选取100匝，输出电压取12 V，按照公式（6）计算得出dBdt的数量级为102～103 （T·s-1），以频率为50 Hz计算，磁感应强度变化范围应大于1 （T·s-1）。由图4可知：当高压线传输电流强度为400 A时，感应装置与高压线的距离应控制在01 m以内；当高压线传输电流强度为600 A时，感应装置与高压线的距离应控制在012 m以内；当高压线传输电流为1 200 A时，感应装置与高压线的距离应控制在027 m以内；当高压线传输电流强度为3 000 A时，感应装置与高压线的距离应控制在06 m以内。

2.4磁芯材料的选择

铁芯材料对于系统的输出功率有直接影响。相同条件下，磁导率越高，取能线圈感应的功率越高。选择磁芯材料应该从磁导率、饱和磁导率、电阻率、工作频率等方面进行比较。常用几种取能磁芯材料的性能如表3所示。

磁芯材料应具有磁导率高、电阻率大、饱和磁感应强度高的特点。坡莫合金有较高的磁导率，但价格昂贵，饱和磁感应强度较低，且机械应力对磁性能影响显著，通常需要保护壳；微晶合金具有较高的初始相对磁导率，但适用于高频器件；相比合金材料，硅钢片的饱和磁感应强度更高，可以大大增加取能磁芯适应母线电流的范围，其居里温度高达740 ℃，这种材料完全可以满足取能磁芯的要求。此外，硅钢片的价格比合金材料要低很多，因此具有较高的性价比。

3感应电能及功率的计算

在计算取能磁芯感应电能时，结合变压器模型进行分析，根据磁通势平衡方程、安培环路定理及电磁感应定理有如下关系式

4安全性分析

感应取电技术就是利用高压线周围的交变磁场得到感应电能，只有当高压线有电流时，才会有感应电流产生。由于感应电流较小，所产生的感应磁场特别小，相对于高压线的磁场可以忽略不计，因此感应取电技术对高压线的输电不会造成影响[1618]。

高压线上的电流幅值不是不变的，它会随着季节及用电时间的不同发生变化，变化范围从几安到几千安不等。瞬时短路的现象也会在高压线上出现，必须采取安全防护措施。瞬时短路会产生极高的短路电流，对取电电路中的元器件造成不可修复的损坏，故在电路中设置TVS管的防浪涌电路[5]。在用电高峰期，输电线会出现长时间工作在较大电流的情况，感应电压有可能超过稳定时所允许的最高输入电压。此时在电路中设置双向晶闸管对电路进行保护，将感应取电控制在特定值以下，引线对于过路的行人及牲畜不会有影响，安全性得到保障。

5结语

山区高速公路在线监测装置的供电问题不容忽视。与太阳能供电、激光供电相比，感应取电技术具有环保、稳定性高、可持续供电等诸多优点，可以长期稳定地为监控设备供电。本文采用的感应供电技术有效地利用了山区高速公路周边高压传输线路，解决了在线监测装置的供电问题，对线路的影响非常小，可忽略不计，足以保证线路及用电设施的安全，可为偏远地区在线监测等低电压、低电流设备的电源供应提供参考。

虽然采用感应取电技术为山区高速公路在线监测系统供电有很多优点，但仍有需要改进之处，例如当感应取电装置遭受雷击影响时，绝缘子可能发生闪络或击穿，这将使装置内的电路受到严重损坏，从而影响在线监测系统的正常工作。随着社会的不断发展，高压输电线路的电压及电流不断增加，选择磁芯材料难度加大，绝缘装置结构变得更加复杂。因此，该技术的研究还需向磁芯材料、保护及处理电路、功率控制等方面探索，使高压输电线感应取电技术不仅能更好地用于野外在线监测系统，而且能应用于其他电力设备的供电。

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[责任编辑：党卓钰]